Nanotechnologies pour l’analyse et le traitement de l’eau

Applications des nanotechnologies pour l’analyse et le traitement de l’eau

Par l’équipe AVICENN – Dernier ajout novembre 2020

Les nanotechnologies sont utilisées pour développer des dispositifs plus efficaces pour l’analyse et le traitement de l’eau. Il est aujourd’hui difficile de faire la part entre les applications déjà sur le marché et celles qui n’en sont qu’au stade de la recherche et développement. 
Trois domaines d’application des nanotechnologies au domaine de l’eau peuvent être distingués :

• La détection des contaminants dans l’eau
• La purification de l’eau
• Dépollution et remédiation des sols et des eaux

Devant ces potentielles innovations, se pose la prise en compte des risques associés aux nanomatériaux utilisés. Ce domaine d’application peut résulter en l’augmentation de la présence de nanomatériaux manufacturés dans les eaux et nappes phréatiques.

Se pose également la question du rapport bénéfices / risques par rapport aux alternatives naturelles ? L’innovation n’est pas uniquement technologique, comme en attestent les « solutions fondées sur la nature » (SfN) promues par les Nations Unies en 2018.

La détection des contaminants dans l’eau

Les nanotechnologies pourraient avoir des applications intéressantes en matière de détection des substances chimiques et biochimiques dans l’eau. Début 2011, le Directeur général des Centres de recherche de Veolia Environnement considérait que « c’est très probablement dans ce domaine [de l’analyse] que l’on verra prochainement une industrialisation de nanotechnologies pour l’échantillonnage et l’identification spécifique aussi bien en analyse chimique que microbiologique »¹Entretien de M. Hervé Suty, Directeur général des Centres de recherche de Veolia Environnement, accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011.

La purification de l’eau

Les nanotechnologies peuvent être utilisées pour désaliniser l’eau, filtrer des polluants, réduire le calcaire et/ou traiter les eaux usées. Les procédés utilisés ou envisagés peuvent combiner différents types d’action :

La filtration d’éléments indésirables (polluants, microbes, sel) :

Ce serait le procédé le plus avancé, notamment pour les membranes ; les filtres peuvent être constitués notamment :

• de nanotubes de carbone, pour extraire les virus et les bactéries de l’eau
• de membranes nanostructurées ou sur lesquelles sont ajoutées des nanoparticules ou des nanorevêtements²Voir notamment:
  – Un projet de nanofiltration pour réduire les rejets en micropolluants du site SOTREMO a été déployé au Mans
  – Suez Environnement a ainsi participé à un projet de recherche européen NAMATECH (2009-2012) sur l’utilisation de nanoparticules pour des membranes « particulièrement prometteuses » cf Entretien de Mme Zdravka Doquang, Responsable Pôle Analyse et Santé au CIRSEE (Suez Environnement), accordé à Richard Varrault (Waternunc), publié en 2011
  – Veolia Environnement a de son côté mis en place un partenariat avec la société américaine NanoH2O visant à mettre au point des membranes pour le dessalement de l’eau de mer : des nanoparticules hydrophiles sont ajoutées à des membranes d’osmose inverse pour favoriser le passage de l’eau
  – des chercheurs français et américains ont mis au point des « tamis nanoscopiques » cf Cf. Dessaler l’eau de mer avec des filtres à l’échelle nano, Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, 29 mars 2018
  – Arkema propose en 2018 un procédé d’ultra filtration avec un polymère fluoré Kynar® PVDF utilisant des technologies de polymères nanométriques
  – en Chine, en 2018, une promesse de production industrielle de membranes de nanofibres par impression en 3D par Nano Sun, en savoir +
• de l’argile attapulgite et de zéolites naturelles, disponibles dans de nombreuses régions du monde et présentant des pores naturels de taille nanoscopique
• des nanoéponges qui piègent des contaminants (il peut s’agir notamment d’éponges de polyuréthanes recouvertes de nanoparticules d’oxyde de fer ou de nanotubes de carbone et de nanoargent)³Voir par exemple : – Des éponges en nanocellulose contre les marées noires, Industrie et Technologie, 9 décembre 2014. Mise au point par deux chercheurs, Gilles Sèbe du LCPO de l’université de Bordeaux 1 et Philippe Tingaut, de l’Empa près de Zurich, lauréats pour cette éponge du Prix des techniques innovantes du salon Pollutec.
  – Low energy water purification enabled by nanomaterial-coated sponges, Science for Environment Policy, février 2015 (article académique : Conducting nanosponge electroporation for affordable and highefficiency disinfection of bacteria and viruses in water, Liu, C et al., Nano Letters, 13(9): 4288-93, 2013).

La dissolution chimique des polluants par oxydation

Ceci avec l’utilisation de nanoparticules réactives (titane, oxyde de fer par exemple) : les nanocatalyseurs pourraient être utilisés pour décomposer chimiquement les polluants. Les nanoparticules d’oxyde de titane sont par exemple des catalyseurs plus efficaces que l’oxyde de titane à l’échelle macroscopique et pourraient servir à détruire les contaminants par photocatalyse sous l’effet de rayons UV.

L’extraction des polluants par aimantation

Les nanoparticules magnétiques ont une grande surface par rapport à leur volume et peuvent ainsi facilement former des liaisons chimiques avec des contaminants véhiculés par l’eau – tels que l’arsenic, le mercure, le plomb, le pétrole – et être ensuite extraits à l’aide d’un aimant. Des applications seraient déjà commercialisées et les recherches sont nombreuses dans ce domaine⁸Cf. notamment :
– Des chercheurs iraniens et finlandais ont mis au point une méthode à base de nanoparticules d’oxyde de fer pour retirer le nitrate et le nitrite de l’eau : cf. Scientists Present Simple Method to Eliminate Nitrate, Nitrite from Water, Soil, Iran Nanotechnology Initiative Council, février 2015
– Des chercheurs de la Rice University aux Etats-Unis ont utilisé des nanoparticules de rouille (dioxyde de fer) pour extraire l’arsenic de l’eau : cf. Low-Field Magnetic Separation of Monodisperse Fe3O4 Nanocrystals, Yavuz C T et al. Science, 2006.

Ou encore l’élimination des bactéries, par l’utilisation de nanoparticules métalliques (nanoparticules d’argent ou de cuivre) aux propriétés antibactériennes⁹Cf Projet de recherche : NanoSELECT : Des nanomatériaux biologiques pour purifier l’eau, Suède, FP7 ; http://www.cordis.europa.eu/result/rcn/165353_en.html et Voir aussi : Hymag’in, une start-up française qui fabrique des nanoparticules de magnétite pour purifier de l’eau contaminée.

La désalinisation est aussi un enjeu important¹⁰Voir notamment
– aux USA en 2017 une recherche sur une combinaison de distillation membranaire et de nanophotonique.
– en 2018 une publication chinoise sur une méthode testée en laboratoire, associant l’intégration de nanoparticules de tellure dans l’eau avec la plasmonique. Le taux d’évaporation de l’eau est multiplié par trois sous l’effet des rayons du soleil. Ainsi, en 100 secondes la température passe de 29°C à 85°C. La création des nanoparticules est extrêmement complexe et n’offre aucune possibilité de commercialisation pour l’instant..

Dépollution et remédiation

Selon une étude réalisée pour l’Ademe en 2010, le marché de la dépollution était de 470 millions d’euros. Une piste de solution serait d’utiliser des nanoparticules de fer pour dépolluer les sols. De 2009 à 2012, le projet de recherche NanoFreezes a mobilisé les efforts de chercheurs du CNRS, de l’INERIS et du CEREGE.

Des chercheurs du Gisfi (Groupement d’intérêt scientifique sur les friches industrielles) ont réitéré en mars 2019 l’intérêt de la nanoremédiation. Plusieurs nanomatériaux¹¹Tel que les nano-zéolites, les oxydes métalliques, les nanotubes et nanofibres de carbone, les enzymes et différents métaux nobles (principalement des nanoparticules bimétalliques de Fe/Pd ou Fe/Pt) et le dioxyde de titane… ont été explorés dans un but de remédiation, mais les nanoparticules de fer restent les plus utilisées. Elles permettent de décontaminer des eaux et des sols chargés en composés chlorés, qui figurent parmi les polluants les plus répandus. Elles peuvent être injectées dans les nappes et mélangées à des sols, jusqu’à des profondeurs d’une douzaine de mètres. En France, comme au Canada, des études sont financées¹²Voir notamment:
– Les études continuent avec le Gisfi, la région Grand Est et quatre partenaires européens (Finlande, Grèce, Hongrie et Italie) dans un programme TANIA TreAting contamination through NanoremedIAtion (1 285 735 € pour des travaux de janvier 2017 à décembre 2021).
– Au Canada, l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) et l’Université de Montréal ont reçu en 2021 une subvention de 338 688 dollars du ministère de l’Économie et de l’Innovation, pour un projet novateur de décontamination des eaux à base de nanomatériaux, via le développement de nouveaux procédés électro-catalytiques avancés (ECA). .

En utilisant des membranes de nanocellulose et/ou de nanochitine, il serait possible de procéder à l’élimination de bactéries dans l’eau¹³Cf le projet de recherche : NanoSELECT : Des nanomatériaux biologiques pour purifier l’eau, Suède, FP7. De même, une start-up francaise fabrique et fait la promotion de la nano-magnétite pour traiter les eaux et dépolluer les sols. .

Les auteurs soulignent cependant les incertitudes sur les risques, « les barrières à franchir d’ordre réglementaire et concernant l’acceptabilité de ces techniques par les entreprises, les clients, les élus et le public« .  L’introduction des ZVI nanométriques dans l’environnement peut présenter un risque pour les micro-organismes qui sont la base de la chaîne alimentaire. Les facteurs et processus affectant l’écotoxicité sont complexes et l’impact potentiel des nanoparticules manufacturées sur l’environnement et sur la santé humaine reste aujourd’hui peu décrit. Afin de prévenir tout impact négatif de la nanoremédiation sur l’environnement, il est indispensable de mener une évaluation appropriée, incluant des études avec ces nanoparticules à l’échelle de l’écosystème. Il reste essentiel d’imposer une analyse bénéfices-risques.